Klein, uiterst precies en gevoelig - een uitdaging in elke dimensie

Ultrasone precisie reiniging van onderdelen in een cleanroom met een luchtreinheidsklasse ISO 1.

Van vervanging van conventionele zeefdrukprocessen tot aan generatief vervaardigde componenten en toepassingen in de biomedische sector – de toepassingsmogelijkheden van digitale druktechnologieën zijn bijna onbeperkt.

Voor contaminatie- en beschadigingsvrije eenheid, sortering en toevoer van gevoelige microcomponenten kleiner dan 500 micrometer maakt het Fraunhofer IPA gebruik van oppervlakteeffecten in vloeistoffen. De te verwerken onderdelen worden uit een verzamelvat doelgericht op het oppervlak van de procesvloeistof aangebracht, dat is ingesteld op het vulniveau in het vloeistofreservoir. De zwaartekracht beweegt de drijvende onderdelen in de richting van de rand van de vloeistof, tegen een daar aangebrachte verwisselbare stoprand, waar de onderdelen zich op een rij plaatsen.

IPA.FluidSorting – vloeistofgebaseerd scheiden en toevoeren van microtechnische componenten.

CO2-reinigingsatelliet

Dr.-Ing. Udo Gommel

De eerste pc's die begin jaren 80 op de markt kwamen, waren lompe koffers die nauwelijks comfort boden. Tegenwoordig levert elke smartwatch om de pols een veelvoud hiervan. De miniaturisering heeft een mate bereikt die nog geen decennium geleden niemand had durven dromen. Een transistor op een geïntegreerde schakeling is kleiner dan elke bacterie, sensoren meten slechts millimeters en voor het bekijken van sommige schraantjes heb je een loep nodig. Er zijn pacemakers ter grootte van een pil en wegwerplaboratoria voor bloedanalyse, compleet met pompen, ventielen en kanalen, die op een siliciumchip passen. Kleine pico-satellieten die in de ruimte worden geschoten, wegen nauwelijks meer dan een stuk boter.

De neiging tot het kleintje en het allerkleinste komt vooral terug in de elektronica en micro-systeemtechniek. »De miniaturisering stelt hoge eisen aan de productie en vereist soms geheel nieuwe benaderingen«, zegt Dr. Udo Gommel, die tot februari 2016 het bedrijfsveld leidde. Vooral: het moet uiterst schoon verlopen. Als al een stofdeeltje kan leiden tot het volledig uitvallen van een onderdeel of zelfs een heel apparaat, is reinheid de hoogste prioriteit. Ook de bewerking en montage op dit miniatuurniveau vereisen nieuwe technologieën. Bijvoorbeeld: het aanbrengen van lijm in het lijmproces kan slechts nog beperkt met gebruikelijke gereedschappen en methoden. Bovendien moet bijvoorbeeld het aanbrengen van lijm tijdens het lijmproces met de grootste precisie gebeuren. De medewerkers van het bedrijfsveld »Elektronica en Mikrosysteemtechniek« nemen de uitdagingen aan die gepaard gaan met de productie van dergelijke producten. Daarmee leveren ze een belangrijke bijdrage aan het oplossen van de productie-technische vraagstukken van de industrie. Daarnaast worden zelf of samen met partners ontwikkelde productbenaderingen toegepast, zoals bijvoorbeeld een in het Fraunhofer-verbond gerealiseerde compacte radarscanner die optische obstakels doordringt en ook bij stof, rook, mist of regen duidelijk ziet.

Wereldwijd grootste onderzoeksreinigingsruimte

Voor het vervaardigen van haarfijne structuren of het verwerken van kleinste onderdelen is een reinheidstechnisch gecontroleerde omgeving vereist, meestal een cleanroom. Voor onderzoek en beoordeling van de afhankelijkheden van het contaminatiegedrag van productie-inrichtingen en de te behalen kwaliteitsnormen van de geproduceerde producten beschikt het Fraunhofer IPA naast diverse analyssystemen over de grootste onderzoeksreinigingsruimte ter wereld van ISO-klasse 1, met laminaire verversingsstroom. Deze meet ongeveer 150 vierkante meter vloeroppervlak bij een hoogte van meer dan 6 meter. Met zijn zware belasting is het mogelijk om niet alleen zeer kleine eindproducten, maar in combinatie ook de meestal grote en zware productiesystemen tot een totaalgewicht van bijna 40 ton te onderzoeken en te optimaliseren. Een kubieke meter lucht bevat hooguit 10 deeltjes van 0,1 micrometer, in gewone stadslucht zijn dat 10¹³ deeltjes. Daarnaast beschikt het instituut over geavanceerde apparatuur zoals rasterelektronenmicroscopen, micro-CT-scanners of massaspectrometers, waarmee de vervuiling van onderdelen kan worden gemeten en de effectiviteit van verschillende reinigingsmethoden kan worden beoordeeld en vergeleken. Het is dan ook geen verrassing dat experts uit Stuttgart in belangrijke commissies zitten die verantwoordelijk zijn voor de standaardisering van reinigings- en reinigingsprocedures.

Industrieverbonden »Cleanroom Suitable Consumables« (CSC) en »MediClean«

Hoe belangrijk het onderwerp voor de industrie is, wordt aangetoond door de oprichting van twee nieuwe initiatieven, geïnitieerd door het IPA. Bij de industrievereniging »Cleanroom Suitable Consumables« (CSC) gaat het om verbruiksartikelen die dagelijks in de cleanroom worden gebruikt, zoals overalls, handschoenen, mondkapjes, doekjes en dergelijke. De motivatie hierachter: de beste cleanroom is zinloos als deze voortdurend opnieuw wordt besmet door verontreinigingen die worden afgegeven door verbruiksartikelen bij correct gebruik. Tot nu toe ontbreken betrouwbare regels of zelfs maar vergelijkende metingen, waardoor vaak de product-specifieke reinheidsgrenswaarden worden overschreden. »We proberen het licht in de duisternis te brengen«, zegt de verantwoordelijke IPA-expert Frank Bührer. Aan het verbond nemen bedrijven uit alle sectoren deel die afhankelijk zijn van schoonheidsgecontroleerde omgevingen, vooral uit de farmacie, elektronica en ruimtevaart. De regelgeving die hieruit voortkomt, moet later als internationale norm worden vastgesteld. Het tweede industrieverbond heeft vergelijkbare doelen op het gebied van medische technologie. »MediClean« houdt zich bezig met de reinheid van medisch-technische producten, zoals implantaten of injectienaalden. Al tijdens het productieproces, maar ook in ziekenhuizen en artsenpraktijken, zijn reinheid en hygiëne van levensbelang, omdat biocontaminaties (bijvoorbeeld bacteriën) kunnen leiden tot ontstekingen of afstoting van een medisch implantaat. Maar tot nu toe ontbreken bindende normen voor een schone productie en effectieve reiniging. Hierdoor kunnen herhaaldelijk complicaties ontstaan. De ziektekostenverzekeraars schatten de economische schade die alleen in Duitsland ontstaat door afstotingsreacties van het lichaam op onreine implantaten op jaarlijks ongeveer 7 miljard euro. Het industrieverbond onder leiding van het IPA moet nu uitkomst bieden. Maar ook op technologisch gebied levert het Fraunhofer IPA een belangrijke bijdrage door de in het bedrijfsveld gebundelde expertise, die de industriële implementatie van hightech-producten mogelijk maakt. Moet bijvoorbeeld een vervuilingsgevoelig onderdeel worden gereinigd – geen probleem. Het IPA beschikt over de belangrijkste reinigingsmethoden, zoals plasma, ultrasoon of kooldioxide, nat of droog.

CO2-reiniging

Het IPA heeft bijzondere expertise op het gebied van CO2-reiniging, die onverslaanbaar is voor zeer gevoelige onderdelen. De Stuttgart-experts ontwikkelen een methode om folies en glas-substraten, zoals die worden gebruikt voor veel smartphones, te reinigen tijdens de rol-naar-rol-productie. Met behulp van een gepatenteerde tweestoffen-nozzle worden de te reinigen oppervlakken bestraald met kristallijn CO2-sneeuw. Door de variatie van parameters zoals de straaldruck, het tweestoffenmengsel, de straalhoek, de afstand, etc., kunnen afhankelijk van de specificaties van het te reinigen oppervlak geoptimaliseerde reinigingsefficiënties worden bereikt. Aan de ene kant vindt bij kamertemperatuur, door het temperatuurverschil tussen oppervlak en CO2 van bijna 100 Kelvin, een verstuiving plaats van filmische verontreinigingen, zoals oliën of vetten. Door de straaldruck worden vervolgens gescheurde, filmische verontreinigingen afgeschild en meteen verwijderd. Daarnaast sublimeert de CO2-sneeuw bij het raken van het oppervlak, gaat dus onmiddellijk over in gasvormige toestand. Het explodeert bijna, waarbij zijn volume met een factor 800 toeneemt. Daarbij lossen de verstrooide vuildeeltjes onvermijdelijk op, zonder het gevoelige substraat te beschadigen. Een actueel toepassingshoogtepunt in dit gebied is de reiniging van satelliet- en ruimtevaartuigcomponenten in de IPA-laboratoria.

Reinheid van het productieproces

Naast het reinigen van individuele onderdelen is de reinheid van het productieproces bepalend voor de kwaliteit. Microchips en displays zijn bijzonder gevoelige onderdelen die vrijwel geen vervuiling verdragen. Al een enkel stofdeeltje kan een kortsluiting veroorzaken en de elektronica beschadigen. Wie onverwachte verrassingen wil voorkomen, moet zijn volledige productiesysteem vanaf het begin correct inrichten, van ontwerp en cleanroom-uitrusting tot gebruikte gereedschappen en materiaalkeuze en de kleding van het personeel. IPA-experts, zoals het team rond Frank Bührer, bieden passende oplossingen. Bij onduidelijkheden voeren zij de benodigde tests uit en kunnen ze, indien gewenst, ook het personeel trainen.

Omgang met kleine onderdelen

Een bijzondere uitdaging bij de productie van micro-elektronische en micro-technische producten, zoals bijvoorbeeld de smartphone, is de omgang met de kleine onderdelen. Scheiden, grijpen, aanvoeren, fixeren, positioneren – dat alles kan niet zoals bij meubelproductie. Daar zijn innovatieve methoden voor nodig. Zo heeft de werkgroep onder leiding van Dirk Schlenker een methode ontwikkeld om microscopisch kleine onderdelen, die in een ongeordende hoop op elkaar liggen, te scheiden en naar de plek te brengen waar ze nodig zijn. De gebruikelijke vibratievoeders stoten op hun technische grenzen bij onderdelen kleiner dan een halve millimeter. Want de »kleintjes« blijven vanwege hun geringe gewicht gewoon op de band liggen. Het onderzoeksteam moest daarom volledig anders denken. De inspiratie kwam uiteindelijk uit de natuur: waterlopers kunnen over het water lopen door gebruik te maken van de oppervlaktespanning. Kleine schroeven, tandwielen, kogels, chips of sensoren zijn ook licht genoeg om niet onder te gaan. Bij de gepatenteerde methode met de naam »IPA.Fluid-Sorting«, die succesvol in een prototype is toegepast, drijven de gewichtloze onderdelen op een door de vloeistoflaag gecreëerde vloeistofoppervlak en glijden dankzij de zwaartekracht vanzelf naar de rand van de vloeistoffilm. Daar botsen ze tegen een stoprand en rijgen zich als kralen aan een ketting. Zo kunnen ze na het terugtrekken van de vloeistof gemakkelijk worden opgepakt. De methode is geschikt voor alle onderdelen die kleiner zijn dan één tot twee millimeter. Naar beneden is er bijna geen grens: »We kunnen in principe zelfs stofdeeltjes sorteren. Hoe kleiner, hoe beter«, zegt Schlenker. De behoefte aan dergelijke micro-sorteerinstallaties is nog beperkt, maar het is te verwachten dat steeds meer mini-onderdelen nodig zullen zijn, bijvoorbeeld in de medische technologie, horloge-industrie of micro-elektronica.

Microdoseringstechniek

Naast de omgang met onderdelen vereist ook de montage van de kleinste onderdelen nieuwe ideeën. Bijvoorbeeld lijmen: iedereen kent het probleem dat de lijm na het werk druppelt omdat de druk in de tube slechts langzaam afneemt. Bij micro-montage mag zoiets niet gebeuren. Een enkele druppel kan een heel product verpesten. Het team onder leiding van Schlenker is erin geslaagd om in samenwerking met een industriële partner het door het IPA ontwikkelde »IPA.VALVE« succesvol op de markt te brengen. Met het afsluitventiel, dat zonder problemen op de huidige doseersystemen kan worden geschroefd om het typische druppelen te voorkomen, kunnen alle soorten vloeistoffen, zoals lijm, olie of afdichtingsmateriaal, betrouwbaarder worden gedoseerd dan voorheen. Tijdens de laatste vakbeurs voor productie- en montageautomatisering Motek was het ventiel »de grote winnaar«, aldus Schlenker. Het is zo eenvoudig opgebouwd dat het binnenkort zelfs als wegwerpartikel voor een paar euro in de handel zal komen.

Intelligente werkstukdrager

Naast de behaalde technologische vooruitgang biedt het IPA ook innovatieve productoplossingen. Zo werken IPA-experts momenteel aan de fabriek van de toekomst, die onder de noemer »Industrie 4.0« een nieuw tijdperk van productie zal inluiden. Een relevant thema voor het bedrijfsveld zijn intelligente componenten. Het idee erachter: de individuele machines en productiemiddelen zijn niet langer individuele strijders, maar werken in teamverband. Ze communiceren onderling en vinden zo zelf de optimale oplossing. Dit verhoogt de flexibiliteit en efficiëntie van een fabriek aanzienlijk. IPA-ingenieurs hebben in het kader van het door het BMBF gefinancierde samenwerkingsproject »smartWT« een verdere bouwsteen voor de verbonden fabriek ontwikkeld: een intelligente werkstukdrager die onderdelen van de ene machine naar de andere transporteert en deze in het proces beschikbaar stelt. De »smartWT« maakt het mogelijk om logistieke- en procestgegevens continu te verzamelen en draadloos door te geven. Hij is uitgerust met miniaturiseerde modules voor signaalverwerking, communicatie en energieopslag. Bovendien is hij zo ontworpen dat hij tijdens het transport zelfstandig taken kan uitvoeren, zoals het positioneren van een onderdeel. Het was de taak van het IPA om de verschillende functiedelen in de werkstukdrager te integreren en mogelijke toepassingsscenario's te ontwikkelen.

De modulaire montagesysteem

In verband met de trend naar intelligente systemen zijn steeds meer productiesystemen nodig waarmee op de toepassing afgestemde producten, zoals sensoren, kosteneffectief kunnen worden vervaardigd. Bij hoge aantallen, zoals bij de productie van mobiele telefoons, is een investering in grote installaties de moeite waard. In de sensorgebieden moet de productie anders worden ingericht, omdat de hoeveelheden kleiner zijn en de variëteit groot. Vooral in de vroege fase van de industriële implementatie is het risicovol, omdat de processen en hun keten nog niet definitief vaststaan. Samen met partners heeft het IPA in het kader van het door het BMBF gefinancierde en het toebedeelde samenwerkingsproject van het Spitzencluster microTEC Südwest een oplossing ontwikkeld – het modulaire montagesysteem »VolProd«. Het maakt het eenvoudig om afzonderlijke procesmodules te vervangen en naar behoefte stapsgewijs te automatiseren en te koppelen. Hoe dat eruit kan zien, wordt gedemonstreerd door de op het IPA gebouwde demonstrator.

Digitale druktechniek

Naast de ontwikkeling van wendbare en geminiaturiseerde systemen voor de micro-systeemtechniek werken de onderzoekers van het IPA aan productietechnologieën voor een nieuwe generatie producten. Het gaat om de veelbesproken innovatieve oplossingen uit de 3D-printer. Het IPA richt zich hierbij niet alleen op de uitdaging om afzonderlijke lagen betrouwbaar op te bouwen, maar ook op de productietechnische vraag: de directe integratie van onderdelen tijdens het opbouwproces. In samenwerking met partners zijn innovatieve proces- en systeemoplossingen ontwikkeld die nu beschikbaar zijn als ontwikkelingsbasis en ter demonstratie. Bijvoorbeeld een montage-module waarmee kleine LED's in een zak van een dragerfolie kunnen worden geplaatst, die deel uitmaakt van een meerlagige verlichtingsfolie.

De lijst met expertisegebieden die het IPA heeft voor de productie van elektronica en micro-systeemtechniek, kan nog worden uitgebreid, bijvoorbeeld met onderzoek op het gebied van galvanotechniek, beeldherkenning, sensornetwerken of informatieverwerking.

Martin Schleef leidt sinds maart 2016 het bedrijfsveld »Elektronica en Mikrosystemtechniek«. Dr. Udo Gommel, die deze functie sinds die tijd succesvol vervult, is zijn plaatsvervanger. Hij leidt de afdeling »Rein- en Microproductie«.

Dr.-Ing. Udo Gommel:
Leidinggevende van de afdeling Rein- en Microproductie, plaatsvervangend bedrijfsveldleider Elektronica en Mikrosystemtechniek